호모폴라 발전기

Homopolar generator
최초의 동식물 발전기인 패러데이 디스크

호모폴라 발전기는 전기 전도성 디스크 또는 균일한 정적 자기장에 수직인 평면에서 회전하는 실린더로 구성된 DC 전기 발전기다. 회전 방향과 필드의 방향에 따라 달라지는 전기 극성으로 디스크 중심과 림(또는 실린더 끝) 사이에 전위차가 발생한다. 단극 발전기, 교류 발전기, 디스크 다이너모 또는 패러데이 디스크로도 알려져 있다. 전압은 일반적으로 소형 실증모델의 경우 몇 볼트 순으로 낮지만 대형 연구 발전기는 수백 볼트를 생산할 수 있으며, 일부 시스템에서는 이보다 더 큰 전압을 생산하기 위해 여러 개의 발전기를 직렬로 갖추고 있다.[1] 그것들은 100만 암페어 이상의 엄청난 전류를 발생시킬 수 있다는 점에서 특이하다. 왜냐하면 균질 발전기는 내부 저항이 매우 낮도록 만들어질 수 있기 때문이다. 또한, 호모폴라 발전기는 정류기나 정류기를 사용하지 않고서는 다른 어떤 회전 전기 기계도 DC를 생산할 수 없다는 점에서 독특하다. [2]

패러데이 음반

패러데이 디스크

최초의 동식물 발전기는 1831년 마이클 패러데이가 실험하는 동안 개발했다. 그를 기리기 위해 흔히 패러데이 디스크 또는 패러데이 휠로 불린다. 그것은 자장을 이용해 작동하는 발전기, 즉 발전기의 시작이었다. 매우 비효율적이었고 실용적 전력원으로 쓰이지 않았지만 자력을 이용해 전력을 발생시킬 가능성을 보여주었고, 정류된 직류 발전기와 교류 교류 교류 발전기의 길을 이끌었다.

패러데이 디스크는 주로 전류의 역류로 인해 비효율적이었다. 전류가 자석 바로 아래에 유도되는 동안, 전류가 자기장의 영향 밖에 있는 지역에서 거꾸로 순환할 것이다. 이 역류로 인해 픽업 와이어에 대한 출력이 제한되고 구리 디스크의 폐열을 유도한다. 나중에 호모폴라 생성기는 원주 둘레에 일정한 장을 유지하기 위해 디스크 둘레 주위에 배열된 자석 배열을 사용하여 이 문제를 해결하고, 역류 현상이 발생할 수 있는 영역을 제거한다.

호모폴라 발전기 개발

ANU 500 MJ 발전기의 잔해

원래의 패러데이 원판이 실용적인 발전기로 폐기된 지 오래되어 자석과 원반을 하나의 회전 부품(로터)에 결합한 변형판이 개발되었다. 때때로 호모폴라 생성기라는 이름은 이 구성을 위해 예약된다. 일반 동종 발전기의 종류에 대한 최초의 특허 중 하나는 A에 의해 획득되었다. F. 델라필드, 미국 특허 27만8,516호 동질 발전기에 대한 다른 초기 특허는 S. Z에게 수여되었다. 데 페란티와 C. 배칫솔로 따로따로 한다. 니콜라 테슬라는 패러데이 디스크에 관심을 갖고 호모폴라 발전기와 함께 작업을 진행했고,[3] 결국 미국 특허 40만6968호에서 개선된 버전의 장치에 특허를 냈다. 테슬라의 '다이나모 전기 기계' 특허에는 금속 벨트로 도르래처럼 연결된 별도의 병렬 샤프트를 가진 두 개의 병렬 디스크가 배열돼 있다. 각 디스크에는 다른 디스크와 반대인 필드가 있어서 전류의 흐름이 한 샤프트에서 디스크 가장자리로, 벨트를 가로질러 다른 디스크 가장자리로, 그리고 두 번째 샤프트로 흐른다. 이것은 두 전기 픽업이 축과 고속 림이 아닌 두 개의 디스크의 축과 접촉하도록 허용함으로써 슬라이딩 접점에 의해 야기되는 마찰 손실을 크게 줄였을 것이다. 후에 특허는 C. P. 스타인메츠와 E.에게 수여되었다. 톰슨, 호모폴라 발전기 관련 일을 맡았네 스코틀랜드의 전기 기술자 조지 포브스가 개발한 포브스 다이너모는 20세기 초 널리 쓰였다. 호모폴라 발전기에서 행해진 개발의 대부분은 J. E. Noeggerath와 R에 의해 특허를 받았다. 에이케미어

호모폴라 발전기는 1950년대에 펄스 전력 저장의 원천으로서 르네상스를 겪었다. 이 장치들은 실험 장비에 빠르게 버려질 수 있는 기계적 에너지를 저장하기 위해 무거운 디스크를 플라이휠의 한 형태로 사용했다. 이러한 종류의 장치의 초기 예는 호주 국립대학의 물리과학 공학 연구학교의 마크 올리판트 경에 의해 만들어졌다. 최대 500메가줄의 에너지를[4] 저장했으며, 1962년부터 1986년 분해될 때까지 싱크로트론 실험의 초고전류원으로 사용되었다. 올리판트 건설은 최대 2메가암페어(MA)의 전류를 공급할 수 있었다.

훨씬 더 큰 크기의 유사한 장치들은 오스틴의 파커 키네틱 디자인스(옛 OIME Research & Development)에 의해 설계되고 만들어진다. 그들은 레일건 동력장치에서부터 선형 모터(우주 발사를 위한)에 이르기까지 다양한 역할을 할 수 있는 장치들을 생산해 왔다. 전기용접 등 다양한 역할을 위해 10 MJ의 산업설계가 도입되었다.[5]

설명 및 작동

디스크형 발전기

기본 패러데이 디스크 생성기

이 장치는 자기장에서 회전하는 전도성 플라이휠로 구성되며, 한 개의 전기 접점은 축 근처, 다른 하나는 주변기기에 인접해 있다. 용접, 전기분해 및 레일건 연구와 같은 응용 분야에서 저전압에서 매우 높은 전류를 발생시키는 데 사용되어 왔다. 펄스 에너지 애플리케이션에서는 로터의 각운동량을 사용해 장기간에 걸쳐 에너지를 축적했다가 단시간에 방출한다.

다른 유형의 발전기와는 대조적으로 출력 전압은 극성을 바꾸지 않는다. 전하 분리는 디스크의 자유 전하에 대한 로렌츠 힘에서 비롯된다. 운동은 방위각이고 장은 축방향이기 때문에 기전력은 방사형이다. 전기 접점은 보통 "브러시"나 슬립 링을 통해 만들어지는데, 이로 인해 발생되는 낮은 전압에서 큰 손실이 발생한다. 이러한 손실 중 일부는 수은이나 다른 쉽게 액화 금속이나 합금(갈륨, NaK)을 "브러시"로 사용하여 본질적으로 중단 없는 전기적 접촉을 제공할 수 있다.

최근 제안된 수정은 디스크나 드럼 가장자리에 닿는 음의 저항 네온 스트림러가 공급하는 플라즈마 접점을 수직 스트립에 있는 특수 저작업함수 탄소를 사용하는 것이다. 이것은 액체 금속과 접촉하지 않고 전류 범위 내에서 최대 수천 암페어까지 저항이 매우 낮다는 이점이 있다.[citation needed]

영구 자석에 의해 자기장이 제공되면 자석이 스테이터에 고정되어 있는지, 디스크와 함께 회전하는지에 관계없이 발전기가 작동한다. 전자와 로렌츠 힘 법칙이 발견되기 전에는 그 현상은 설명할 수 없었고 패러데이 역설로 알려져 있었다.

드럼형 발전기

드럼형 호모폴라 발전기는 자기장(B)이 있어 드럼 중심에서 방사상으로 방사되며 드럼 길이 아래로 전압(V)을 유도한다. 드럼 중앙에 하나의 극이 있고 드럼을 둘러싼 다른 극이 있는 "확장기" 형태의 자석 영역에서 위에서 회전하는 전도 드럼은 드럼의 상단과 하단에 전도 볼 베어링을 사용하여 발생된 전류를 얻을 수 있다.

천체물리학적 단극 인덕터

단극 인덕터는 도체가 자기장을 통해 회전하는 천체물리학에서 발생한다. 예를 들어, 우주 신체의 전리층에 있는 고도의 전도성 플라즈마가 자기장을 통해 이동하는 것이다. 우주 전기역학, Hannes Alfén과 Carl-Gunne Felthammar는 그들의 저서에서 다음과 같이 쓰고 있다.

"이온화 가스의 우주적 구름은 일반적으로 자화되기 때문에 이들의 움직임은 유도된 전기장을 생성한다[..] 예를 들어 자화된 행성간 플라즈마의 움직임은 오로라와 자기폭풍의 생성에 필수적인 전기장을 생성한다[..]
".. 자기장에서 도체가 회전하면 정지 상태에서 시스템 내 전기장이 생성된다. 이러한 현상은 실험실 실험에서 잘 알려져 있으며, 보통 '혼혈성' 또는 '단극성' 유도라고 불린다.[6]

단극 인덕터는 천왕성의 오로래,[7] 이항성,[8][9] 블랙홀,[10][11][12] 은하,[13] 목성 이오계,[14][15] 달,[16][17] 태양풍,[18] 태양 흑점,[19][20] 금성 자석 꼬리 등과 연관되어 왔다.[21]

물리학

호모폴라 발전기의 작동 원리: 로렌츠 힘 때문에L F 음전하가 회전 디스크의 중심을 향해 구동되어, 음극이 중심에 있는 가운데와 림 사이에 전압이 표시된다.

모든 다이너모스와 마찬가지로 패러데이 디스크는 운동 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 이 기계는 패러데이 고유의 전자기 유도 법칙을 이용하여 분석할 수 있다. 이 법칙은 현대적인 형태로 폐회로를 통한 자속의 풀타임 파생은 회로의 기전력을 유도하고, 이는 결국 전류를 구동한다고 명시하고 있다. 자속을 정의하는 표면 적분은 회로 주위로 통합된 선으로 다시 작성할 수 있다. 라인 적분 통합은 시간 독립적이지만, 라인 적분 경계의 일부를 구성하는 패러데이 디스크가 움직이고 있기 때문에, 풀타임 파생상품은 0이 아니며, 기전력 계산을 위해 정확한 값을 반환한다.[22][23] 또는 링과 액슬을 연결하는 단일 금속 스포크로 디스크 둘레를 따라 전도성 링으로 축소할 수 있다.[24]

로렌츠 힘 법칙은 기계의 행동을 설명하는 데 더 쉽게 사용된다. 패러데이가 죽은 지 30년 후에 만들어진 이 법칙은 전자에 가해지는 힘은 그 속도의 교차 생산물과 자속 벡터에 비례한다고 명시하고 있다. 기하학적 용어로, 이것은 힘이 속도(azimuthal)와 자속(axial) 양쪽 모두에 대해 직각으로 있다는 것을 의미하며, 따라서 반지름 방향이다. 디스크에서 전자의 반경방향 이동은 디스크의 중심과 림 사이에 전하 분리를 생성하며, 회로가 완성되면 전류가 생성된다.[25]

참고 항목

참조

  1. ^ 로스티, H.H.W & Lewis, D.L. (1973) 호모폴라 머신. 런던 왕립 협회를 위한 철학적 거래. 시리즈 A, 수학 및 물리 과학. 275 (1248), 69-75
  2. ^ Valone, Thomas (November 1994). The Homopolar Handbook, pg 1. ISBN 9780964107014.
  3. ^ Nikola Tesla, "Notes on a Unipolar Dynamo". 1891년 9월 2일 뉴욕 주(州) 전기 엔지니어(tesla.hu, 제18910902조 웨이백 기계에 보관된 2011-05-17)
  4. ^ J.W. 블레이미, P.O. 카덴, L.U. 히바드, E.K. Inall, R.A. 마샬과 마크 올리판트 경, '캔버라의 대형 호모폴라 발전기: 초기 시험', 네이처 195 (1962), 페이지 113–114.
  5. ^ 토마스 발론, "The Homopolar Handbook", 1994, 페이지 45
  6. ^ Hannes Alfvén과 Carl-Gunne Felthammar, Cosmical Electrodynamics (1963년) 제2판 옥스퍼드 대학 출판부. 1.3.1항을 참조한다. 균일하게 움직이는 물질에서 유도된 전기장.
  7. ^ Hill, T. W.; Desler, A. J.; Rassbach, M. E, "Uurora on Uuranus – A Faraday disk dynamo mechanism" (1983) 행성 및 우주 과학 (ISSN 0032-0633), 1983년 10월 31일, 페이지 1187–1198
  8. ^ Hannes Alfvén, "Sur'origine de la radio cosmique"(우주 방사선의 기원에 관하여) Comptes Rendus, 204, pp.1180–1181(1937)
  9. ^ 하칼라, 파시 외 연구진, "RX J0806+15: 최단기 이진법"(2003) 왕립천문학회 월간고지 343권, 제1, pp. L10-L14
  10. ^ 러블레이스, R.V.E. "Dynamo Model of Double Radio Source"
  11. ^ Burns, M. L.; Lovelace, R. V. E. "이중 전파원에 전자 양전자 샤워의 이론"(1982) Astrophysical Journal, Part 1, 262, 1982년 11월 1일, 페이지 87–99
  12. ^ A. A. Shatskii, "블랙홀 주위의 단극자성 응고 디스크의 단극 유도", (2003) 천문문자, 제29권, 페이지 153–157
  13. ^ Per Carlqvist, "우주 전류와 일반화된 베넷 관계" (1988) 천체물리학 및 우주 과학 (ISSN 0004-640X), 제144권, 제1-2호, 1988년 5월, 페이지 73–84.
  14. ^ 골드레이치, P.; 린덴벨, D. "Io, 조비안 단극 인덕터" (1969) 천체물체. J, 156권, 페이지 59–78 (1969년).
  15. ^ 스트로벨, Darrell F. 외 연구진, "허블 우주 망원경 우주 망원경 이미징 스펙트로그래프, 캘리스토에서 대기권 검색: 조비앙 단극 인덕터"(2002) 천체물리학 저널, 제581권, 제1호, 페이지 L51-L54
  16. ^ "Sonett, C. P.; Colburn, D. S. "달 단극 발전기와 태양 바람에 의한 관련 충격과 기상"(1967) 네이처, 제216권, 340–343.
  17. ^ Schwartz, K.; Sonett, C. P.; Colburn, D. S., The Moon, Vol. 1, p.7의 "달의 단극 유도 및 달 사지 충격 메커니즘"
  18. ^ Srnka, L. J. "태양풍에서의 단극유도"(1975) 천체물리학 및 우주과학' 1975년 8월 36권, 페이지 177–204.
  19. ^ 양, 하이쇼우, "A force – free field 이론 of solar flare I. 단극 태양 흑점" 중국 천문학과 천체물리학, 제5권 제1, 페이지 77–83호.
  20. ^ 오셰로비치, V. A.; 가르시아, H. A. "미부속장 단극 태양 흑점의 전류" (1990) 지오물리학 연구 편지 (ISSN 0094-8276) 1990년 11월 17일 페이지 2273–2276.
  21. ^ 에로셴코, E. G. "금성 자석 꼬리의 단극 유도 효과"(1979) 코시체스키 잇슬도바니아, 1월 17일.– 1979년 2월, 페이지 93-10
  22. ^ Jackson, John David (1998). Classical Electrodynamics (3rd ed.). Wiley. pp. 208–211. ISBN 978-0471309321.
  23. ^ Valone, Thomas (November 1994). The Homopolar Handbook. Integrity Research Institute. p. 7. ISBN 9780964107014.
  24. ^ Knoepfel, Heinz (11 July 2008). Magnetic Fields: A Comprehensive Theoretical Treatise for Practical Use. Wiley. p. 324. ISBN 9783527617425.
  25. ^ 스웨덴 웁살라 대학 물리천문학부 보티데의 전자기장 이론

일반참조

  • 돈 랭커스터, "동포폴라 신화 공유" 테크뮤징스, 1997년 10월 (PDF)
  • 돈 랭캐스터, "파라데이의 디스크 이해" 테크뮤징스, 1997년 10월 (PDF)
  • 존 데이비드 잭슨, 클래식 일렉트로닉스, 와일리, 1998년 3번째 에드, ISBN 0-471-30932-X
  • 아서 1세 밀러, "단극적 유도: 과학과 기술의 상호작용에 대한 사례 연구," 과학 연보 38권 페이지 155–189(1981년).
  • 올리비에 다리골, 암페어부터 아인슈타인, 옥스퍼드 대학 출판부, 2000년 ISBN 0-19-850594-9까지 전기역학
  • Trevor Ophel and John Jenkin, (1996) 뱃속의 불 : ANU 캔버라 : 오스트레일리아 국립대학의 물리과학공학과 연구학교의 개척학교 첫 50년. ISBN 0-85800-048-2(PDF)
  • 토마스 발론, 호모폴라 핸드북 : 패러데이 디스크와 N-머신 기술에 대한 최종 가이드. 워싱턴 DC, 미국: 2001년 무결성 연구소. ISBN 0-964107-0-1-5

추가 읽기

  • 리처드 A. 마샬과 윌리엄 F. Weldon, "펄스드 에너지 저장소로 사용되는 호모폴라 발전기 매개변수 선택" 1980년 7월 텍사스 대학교, 오스틴, 전자공학 센터(Electrical Machine and Electricechanics, 6:109–127, 1981에도 발표됨)

외부 링크